郭紹貴 孫宏賀 張海英 劉景安 任毅 宮國義 焦晨 鄭軼 楊文才 費章君 許勇
目的與意義:西瓜是一種重要的水果作物,但其果實發(fā)育和成熟的分子機制尚不清楚。為了更好地了解導(dǎo)致其果實發(fā)育差異的遺傳基礎(chǔ),對栽培西瓜自交系‘97103和野生種質(zhì)‘PI296341-FR進行比較果實轉(zhuǎn)錄組分析,并對果實發(fā)育過程中特別的代謝產(chǎn)物進行綜合分析,以便為深入了解西瓜果實品質(zhì)形成和成熟過程中的基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供依據(jù)。
材料與方法:以‘97103果肉和中果皮及‘PI296341-FR果肉為材料,分別在果實未成熟期(10 DAP)、轉(zhuǎn)色期(18 DAP)、紅熟期(26 DAP)和完熟期(34 DAP) 4個關(guān)鍵發(fā)育階段取樣,以便進行轉(zhuǎn)錄組比較分析。采用華越洋RNA試劑盒提取總RNA,制備鏈特異RNA-Seq文庫,Illumina HiSeq 2000平臺進行單末端100 bp高通量測序。使用Trimmomatic和Bowtie處理原始RNA-Seq數(shù)據(jù),使用Tophat將得到的高質(zhì)量數(shù)據(jù)與西瓜基因組序列比對。使用DESeq、LIMMA、Benjamini-Hochberg鑒定差異表達基因,GO、TermFinder、Plant MetGenMAP進行差異表達基因功能分析。利用LightCycler480進行qRT-PCR檢測,驗證基因表達。
結(jié)果與分析:(1)基因表達分析:采用Illumina平臺對14個樣品進行鏈特異RNA高通量測序,共獲得3.218億條高質(zhì)量數(shù)據(jù)。其中栽培型西瓜‘97103果肉和中果皮和野生型西瓜‘PI296341-FR果肉中分別有18 198(77.6%),18 392(78.5%)和17 954(76.6%)個基因表達。組織基因差異表達分析顯示,‘97103和‘PI296341-FR的果肉和中果皮分別有2 452、826和322個基因在果實發(fā)育和成熟過程中差異表達。其中,‘97103果實的果肉、中果皮和‘PI296341-FR果實的果肉中,分別有2 064、530和139個基因的特異性表達。以上數(shù)據(jù)表明,在‘97103果實發(fā)育過程中,更多的基因在果肉中有差異表達,這與‘97103果實發(fā)育過程中僅在果肉中出現(xiàn)了一系列的生理生化變化,如顏色、質(zhì)地、含糖量等是一致的。這些結(jié)果反映了‘97103果肉基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。(2)差異表達基因的基因功能GO富集分析:與西瓜果實品質(zhì)發(fā)育和成熟相關(guān)的生物學(xué)功能只在‘97103果肉中富集,這些基因在‘97103果肉中的差異表達的基因?qū)υ耘辔鞴虾鸵吧鞴瞎麑嵠焚|(zhì)差異的形成至關(guān)重要。在‘PI296341-FR果肉發(fā)育的差異表達基因中,幾乎沒有品質(zhì)發(fā)育和成熟相關(guān)的生物學(xué)功能富集,這些差異表達基因主要富集于主要與非生物脅迫反應(yīng)等生物學(xué)功能分類,這一結(jié)果與‘PI296341-FR具有更強的逆境脅迫耐受性一致。(3)代謝途徑分析:在‘97103果肉和中果皮及‘PI296341-FR果肉中的差異表達基因分別參與了204條、88條和34條代謝途徑,其中分別有50條、17條和5條代謝途徑發(fā)生了顯著變化。這些變化顯著的代謝途徑可能是導(dǎo)致栽培西瓜與野生西瓜果實品質(zhì)差異的關(guān)鍵基因網(wǎng)絡(luò)。
結(jié)? ? 論:利用高通量的RNA-seq技術(shù)對栽培西瓜和野生西瓜進行基因表達比較分析,獲得了3.218億條高質(zhì)量數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)集首次系統(tǒng)展示了野生西瓜果實發(fā)育過程基因表達譜,研究發(fā)現(xiàn)了多個影響西瓜果實品質(zhì)的關(guān)鍵基因,鑒定了乙烯生物合成中的調(diào)控基因和成熟相關(guān)的信號通路。盡管西瓜屬于非呼吸躍變型水果,但乙烯也參與了西瓜果實品質(zhì)調(diào)控。為深入了解西瓜果實發(fā)育成熟的分子機制提供了新視角。